Квантовая навигация без GPS начинает выходить из лабораторий
Квантовые системы позиционирования, способные работать без сигналов спутниковой навигации, начали проходить испытания в реальных условиях. Австралийская компания Q-CTRL провела в Коралловом море демонстрацию навигации судна с помощью квантового гравиметра, а британские Saab и Aquark Technologies отдельно проверили квантовые часы в распределённой радарной сети. Оба эксперимента показывают, что квантовые сенсоры постепенно переходят от лабораторных установок к практическим системам позиционирования, навигации и точного времени.
В эксперименте Q-CTRL квантовый гравиметр установили на 29-метровом судне, прошедшем маршрут длиной 83 километра в Коралловом море у восточного побережья Австралии. Сигналы спутниковой навигации GNSS полностью исключили из цепочки расчёта положения. Вместо них прибор измерял небольшие изменения гравитационного поля Земли, а система сопоставляла полученный профиль с заранее созданной картой гравитационных аномалий.
Сам квантовый прибор не определяет широту и долготу напрямую. Основную работу по-прежнему выполняет инерциальная навигационная система, которая отслеживает движение судна с помощью акселерометров и гироскопов. Проблема таких систем заключается в постепенном накоплении ошибки. Квантовый гравиметр периодически уточняет положение по характерным изменениям земного притяжения и тем самым ограничивает этот дрейф.
На испытательном маршруте обычная инерциальная система без внешней коррекции к концу эксперимента ошиблась примерно на 26 километров. С добавлением данных квантового гравиметра ошибка оставалась в пределах примерно 1,9 километра на первых 70 километрах маршрута, а к концу 83-километрового участка составила около 4,1 километра. Это ещё далеко от привычной точности спутниковой навигации, но эксперимент показал, что без какого-либо спутникового сигнала можно значительно сдерживать накопление ошибки инерциальной системы.
В основе прибора лежит атомная интерферометрия. Атомы используются как чрезвычайно чувствительные датчики ускорения и позволяют измерять крошечные изменения силы тяжести. Они возникают из-за различий в плотности пород под морским дном и образуют своеобразный гравитационный «ландшафт». Если его карта уже известна, измеряемые изменения можно использовать примерно так же, как обычные ориентиры используются при навигации по местности.
В ходе отдельного морского исследования тот же прибор использовали для картирования гравитационного поля. Система смогла различить аномалии с характерным масштабом около 300 метров — примерно в 50 раз меньше характерного пространственного масштаба спутниковой карты, с которой сравнивались измерения. Во время испытаний море достигало четвёртого балла, а судно испытывало заметную качку, однако датчик продолжал работать без традиционной механической стабилизации.
Разработчики считают это особенно важным для практического применения. Квантовые приборы традиционно требуют тщательно контролируемых лабораторных условий, поэтому вибрации, наклоны и ускорения движущегося судна представляют серьёзную проблему. В данном случае значительная часть коррекции движения выполнялась программно, что потенциально упрощает установку таких систем на кораблях и других транспортных средствах.
Параллельно другой подход к независимости от GPS испытывается в Великобритании. Saab UK, Aquark Technologies и подразделение Королевского военно-морского флота проверили атомные часы AQlock вместе с радарами Giraffe 1X. Радары находились в разных местах, но смогли продолжать объединять данные об объектах в единую картину даже без спутниковой синхронизации времени.
Этот эксперимент не является навигацией в прямом смысле. Спутниковые системы обеспечивают не только координаты, но и чрезвычайно точное время, необходимое радарам, телекоммуникационным сетям и множеству других систем. Квантовые часы позволяют дольше сохранять такую синхронизацию локально, если внешний спутниковый сигнал становится недоступным или ненадёжным.
Оба испытания показывают, почему разработчики всё чаще рассматривают квантовые датчики не как полноценную замену GPS, а как один из элементов резервной системы. Гравиметрическая навигация требует заранее подготовленной карты гравитационного поля и работает вместе с обычной инерциальной системой. Квантовые часы решают другую задачу — сохраняют точное время. В других проектах для определения положения используются особенности магнитного поля Земли. Вместе такие технологии могут снижать зависимость транспорта и инфраструктуры от одного внешнего спутникового сигнала.
У технологии остаются существенные ограничения. Результаты морского эксперимента Q-CTRL пока опубликованы как препринт и не прошли рецензирование. Демонстрация проводилась на одном судне, в одном регионе и на ограниченном маршруте. Кроме того, квантовый гравиметр не определяет координаты сам по себе — для работы необходимы инерциальные датчики и достаточно подробные карты гравитационных аномалий.
Тем не менее отличие новых испытаний от многих ранних экспериментов заключается именно в условиях работы. Квантовые сенсоры использовали не на неподвижном лабораторном столе, а на движущемся судне и в распределённой радарной сети. Следующим этапом станет проверка таких систем на более длинных маршрутах, разных типах транспорта и в районах с различным качеством геофизических карт.
Работа на сервере препринтов arXiv.